Con người và động vật cần oxy để chuyển hóa thức ăn thành năng lượng trong cơ thể. Nếu không có oxy, sự sống không tồn tại. Khi hít vào cơ thể, oxy phá vỡ các liên kết hóa học của thức ăn thành năng lượng cho tế bào sử dụng, thải ra khí CO2. 

Vai trò thiết yếu của oxy trong duy trì sự sống được biết đến từ lâu, song điều vẫn còn bí ẩn là: làm thế nào các tế bào thích nghi và ứng biến với sự thay đổi mức oxy chúng được cung cấp. Ví dụ, các tế bào của chúng ta biết chúng phải "thở" nhiều hơn khi ta tập thể thao hoặc cần nhiều năng lượng - tức cần nhiều oxy? Con người sống ở độ cao - nơi không khí loãng hơn - như thế nào?

Hai nhà khoa học Mỹ William Kaelin và Gregg Semenza, cùng nhà khoa học Anh Peter Ratcliffe, đã giành giải Nobel Y sinh 2019 nhờ nghiên cứu khám phá về cách tế bào cảm nhận và thích ứng với sự thay đổi mức độ oxy sẵn có, giải đáp bí ẩn này. 

"Ba nhà khoa học đã phát hiện cơ chế ở cấp phân tử điều hòa hoạt động của gene, đáp ứng những mức oxy khác nhau", thông điệp từ Ủy ban Nobel. 

Cơ thể con người và động vật đã thích ứng mọi cách để đảm bảo các tế bào và mô có đủ lượng oxy. Những nhà khoa học thắng giải Nobel trước đó, trong đó có Corneille Heymans, đã chứng minh động mạch cảnh ở cổ chứa các tế bào đặc biệt có khả năng cảm nhận lượng oxy trong máu và điều khiển nhịp độ hô hấp tương ứng. Nếu lượng oxy thấp, nó điều chỉnh cho ta thở nhanh hơn để nhận thêm oxy vào cơ thể. 

Đầu năm 1990, Gregg Semenza, giáo sư y học di truyền tại Đại học Johns Hopkins, phát hiện một cơ chế thích nghi khác của cơ thể với tình trạng oxy thấp, còn gọi là Hypoxia. Khi lượng oxy thấp, hormone Erythropoietin (EPO) trong cơ thể tăng lên, ra tín hiệu cho cơ thể sản xuất nhiều tế bào hồng cầu hơn, cung cấp nhiều oxy đến các mô hơn. Năm 1995 ông tinh chế và nhân bản HIF (Hypoxia Inducible Factor), yếu tố phiên mã điều chỉnh các phản ứng phụ thuộc oxy. Mỗi HIF gồm hai thành phần: HIF-1α, ARNT.

Ủy ban Nobel công bố ba nhà khoa học đạt giải Nobel Y sinh 2019. Ảnh: New York Times.

Nhà khoa học Peter Ratcliffe phát triển nghiên cứu của ông trên cơ sở hiểu biết của Gregg Semenza. Năm 1999, hai nhà khoa học phát hiện cơ chế cảm nhận oxy này "có mặt trong hầu hết các mô, không chỉ trong tế bào thận nơi sản xuất EPO". Semenza tìm ra một phức hợp protein mà ông đặt tên là tác nhân cảm ứng Hypoxia (HIF) là trung gian tạo ra các phản ứng oxy. 

Trong khi Semenza và Ratcliffe tìm ra gene EPO, William Kaelin, giáo sư tại Đại học Y Harvard, đang miệt mài nghiên cứu về một hội chứng di truyền mang tên Von Hippel-Lindau (VHL). Ông tình cờ phát hiện một phản ứng di truyền khác trong cơ thể khi lượng oxy thay đổi. Gene VHL tạo nên một loại protein ngăn chặn sự hình thành ung thư liên quan đến cơ chế phản ứng với thiếu oxy. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy VHL có thể là gene quan trọng nhất trong việc điều khiển sự phản ứng của cơ thể với mức oxy thấp.

Năm 2001, Kaelin và Ratcliffe cho biết một loại chuyển hóa protein tên Prolyl Hydroxylation cho phép VHL nhận biết và gắn vào HIF-1a. Đây là mấu chốt quan trọng trong việc hiểu thêm về cơ chế cảm biến oxy và cách cơ chế này hoạt động.  

Giới khoa học đánh giá cao về công trình nghiên cứu của ba nhà khoa học giành giải Nobel Y sinh 2019. Họ cho rằng hiểu biết mới về cơ chế kiểm soát một quá trình sinh lý thiết yếu của sự sống như thế này có tính ứng dụng lớn lao trong nghiên cứu điều trị nhiều bệnh.

"Hypoxia quyết định rất nhiều căn bệnh, trong đó có trụy tim, các bệnh phổi mạn tính và nhiều loại ung thư", nhà khoa học Andrew Murray tại Đại học Cambridge chia sẻ. "Công trình của ba nhà khoa học và nhóm nghiên cứu đã mở ra hướng đi mới cho những hiểu biết sâu sắc hơn về những căn bệnh nan y phổ biến, cũng như tìm ra chiến lược mới để điều trị bệnh". 

Randall Johnson, thành viên Ủy ban Nobel miêu tả công trình nghiên cứu là một "phát hiện mang tính nền tảng", có thể đưa vào sách giáo khoa môn sinh học. "Đây là khái niệm cơ bản về việc tế bào hoạt động như thế nào. Và từ góc độ này, tôi thấy thật thú vị", ông Randall chia sẻ.

Trong cơ thể, các tế bào ung thư thường "cướp" khả năng đáp ứng oxy của tế bào thường, gây tăng sinh mạch máu nhằm giúp tế bào ung thư phình ra. Người bị suy thận thường phải điều trị bằng hormone mỗi khi thiếu máu. Tuy nhiên nghiên cứu của ba nhà khoa học đạt giải Nobel sẽ chỉ ra các phương hướng điều trị mới, thành viên Hội đồng Nobel Y sinh Nils-Goran Larsson đánh giá.

"Nghiên cứu sinh học mang tính đột phá này giúp chúng ta hiểu biết hơn về cách mà cơ thể hoạt động, từ đó sống khỏe mạnh hơn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa lớn từ việc phục hồi tổn thương và bảo vệ cơ thể khỏi bệnh tật, cũng như cải thiện việc tập luyện", giáo sư Bridget Lumb, Chủ tịch Hiệp hội Sinh lý học (Anh) đánh giá.